油水兩相流流型研究現(xiàn)狀及展望

劉文生* 張磊 康燕 薛釗 楊金惠

（1.中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠；3.中國(guó)石油華北油田公司友信勘探開發(fā)服務(wù)有限公司；4.河北華北石油路橋工程有限公司；）

0 引言

目前，大部分陸上油田開發(fā)已超過(guò)50年，進(jìn)入高含水期，其中大慶、華北、大港、河南、江漢、遼河、勝利等油田均已進(jìn)入特高含水期。由于水的比熱容是油的2倍，加熱流程會(huì)造成集輸系統(tǒng)能耗增加，而油水混輸中兩相流流型的轉(zhuǎn)換、流動(dòng)及壓降規(guī)律，對(duì)合理規(guī)劃設(shè)計(jì)集輸管網(wǎng)，降低集輸系統(tǒng)能耗起到至關(guān)重要的作用[1]。因此，系統(tǒng)的分析和梳理高含水期油水兩相流流型可為常溫集輸提供理論支持。

由于石油行業(yè)中的油田采出液基本采用油氣水多相混輸方式輸送到接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站統(tǒng)一處理，與氣、液兩相流相比，油水之間的液、液兩相流研究開展較晚，且內(nèi)在機(jī)理仍不明確。此外，Hewitt和Spedding等學(xué)者認(rèn)為研究油水兩相流流型可對(duì)多相流計(jì)量起到重要的推動(dòng)作用。由此可見(jiàn)，總結(jié)和梳理油水兩相流流型的研究現(xiàn)狀具有重要的工程和實(shí)踐意義。

1 油水兩相流流型研究的發(fā)展概述

最早的油水兩相流流型研究開始于長(zhǎng)輸管道稠油減阻，1959年Russell等人[2]通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)，將礦物油和水按照一定比例進(jìn)行混合為試驗(yàn)介質(zhì)，得到了分散流、分層流和混合流 3種流型。1961年Charles等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原油中摻入 40%～60%的游離水后，能夠促使原油乳狀液流型轉(zhuǎn)相，轉(zhuǎn)相之后表觀黏度大幅降低，可降低水力能耗。在隨后的10年內(nèi)，以Charles、Russell、Goviel、Guzhov等人為代表的國(guó)外學(xué)者，分別對(duì)油水兩相流的流型及壓降規(guī)律進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，該階段流型的定義和判斷主要靠肉眼觀察[4]。

1980—2000 年之間，國(guó)外油氣管網(wǎng)大量投產(chǎn)建設(shè)，美國(guó)、歐洲及前蘇聯(lián)的相關(guān)學(xué)者利用光電傳感、電子成像等相關(guān)技術(shù)對(duì)油水兩相流進(jìn)行了深入研究。1989年，Arirachakaran等人[5]進(jìn)行了可視化試驗(yàn)，在直徑25.1 mm的水平玻璃管中分別觀察到分層流、混合流、環(huán)狀流、間歇流和分散流5種流型，并繪制了相應(yīng)的流型圖。1996年，Trallero等人[6]采用低黏礦物油和水進(jìn)行比例混合，得到了兩大類（分層流型和分散流型）共計(jì)6種具體的流型。1997年，Nadler等人[7]在內(nèi)徑為59 mm的水平直管內(nèi)進(jìn)行了油水兩相流試驗(yàn)，得到了8種流型，其中有兩種流型屬于試驗(yàn)中首次出現(xiàn)，分別是上層油包水下層游離水混合流型（W/O&W），上層油包水和水包油下層游離水分散流型（W/O&O/W&W）。2000年，Angeli等人[8]以自來(lái)水和煤油為介質(zhì)進(jìn)行了環(huán)道試驗(yàn)，得到了與 Trallero相似的流型，此外還定義了三層流流型（3—Layer，三層分別為連續(xù)油相、油相液滴、連續(xù)水相）。對(duì)于高黏度原油，由于油水之間界面能和界面張力的存在，高黏油和之前試驗(yàn)中采用的礦物油、煤油等低黏油品相比流型更復(fù)雜。同年，McKibben等人[9]在室內(nèi)采用油田現(xiàn)場(chǎng)常用的最小集輸管徑（內(nèi)徑50 mm），對(duì)高黏稠油-水兩相流進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了之前低黏原油試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的彈狀流（有的文獻(xiàn)稱為間歇流，主要發(fā)生在高含水油品中，連續(xù)油相被水相分割成不連續(xù)的塊狀）和環(huán)核流（又稱環(huán)狀流，包括水核和油核兩種）。1992—2002 年期間，Brauner等人[10]全面總結(jié)了前人的試驗(yàn)研究成果，對(duì)油水兩相流流型劃分了20種具體流型。

近十幾年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者逐漸開始運(yùn)用數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行油水兩相流流型研究。1998年，Brauner[11-12]在不考慮存在油水過(guò)渡帶的初始條件下，構(gòu)建了雙流體模型，即將油相和水相定義為兩個(gè)獨(dú)立的部分且之間存在明顯分層的界面，不存在層間擾動(dòng)，隨后根據(jù)壓力梯度相等并利用動(dòng)量方程對(duì)油水界面曲率進(jìn)行求解，得到預(yù)測(cè)流型的模型算法。2002年，Ng和Gao等人[13-15]用Yong-Laplace方程對(duì)油水均為分層流的分層流動(dòng)邊界形狀進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并用邊界元法對(duì)該流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了估算。

與國(guó)外研究相比，國(guó)內(nèi)從近10多年開始關(guān)注油水兩相流型，中國(guó)石油大學(xué)、天津大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校先后從 2000年開始建立自己的室內(nèi)試驗(yàn)裝置并對(duì)流型進(jìn)行研究，陳杰[16-18]和吳鐵軍[19-20]等人在分別對(duì)水平管內(nèi)含水率 10%～90%的油水兩相流流型進(jìn)行研究時(shí)，通過(guò)對(duì)兩相界面之間平衡力的分析和計(jì)算，引入了弗勞德數(shù)Fr和韋伯?dāng)?shù)We，并進(jìn)行了無(wú)量綱的模型預(yù)測(cè)和計(jì)算，得到了不同流型之間轉(zhuǎn)換的公式，公式擬合度高，具有一定的可操作性。2001年穆虹等[21]人通過(guò)試驗(yàn)研究了稠油-水兩相流動(dòng)，對(duì)影響流型的因素進(jìn)行了分析，同時(shí)得到了水核環(huán)狀流、段塞流等過(guò)渡流型。2004年，Cai[22]在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了三層流體模型。宮敬、姚海元等人[23-24]分別以高黏白油-水和稠油-水為介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，給出了相應(yīng)的流型圖，并且將得到的流型分為水為連續(xù)相流型、油為連續(xù)相流型、間歇流型和分層流型4類。

由于不同的研究人員所采用的試驗(yàn)條件（溫度、壓力、流速）、油水介質(zhì)（油品黏度、油水比例）和考察重點(diǎn)均不相同，同時(shí)隨著檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，觀察到的流型略有不同。盡管不同的文獻(xiàn)對(duì)流型的認(rèn)知和定義不統(tǒng)一，但從對(duì)流型的實(shí)際描述來(lái)看，常見(jiàn)的流型分為分層流、混合流、分散流三大類，其中每類流型又劃分為若干小類，具體見(jiàn)圖1。

圖1 油水兩相流流型分類

2 高含水期油水兩相流流型的劃分

以原油凝點(diǎn)溫度為界限，高含水期油水兩相流流型分為高于凝點(diǎn)溫度的油水兩相流流型和低于凝點(diǎn)溫度的油水兩相流流型。

2.1 高于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型

由于之前的研究成果含水率范圍較寬，且試驗(yàn)的溫度均在高于凝點(diǎn)溫度的條件下進(jìn)行。因此，可從之前的文獻(xiàn)中總結(jié)和歸納高于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型特性。

1996年，Trallero等人在美國(guó)Tulas大學(xué)建立了水平管路的油水兩相流試驗(yàn)裝置，測(cè)試段長(zhǎng)度為15.54 m，內(nèi)徑50.13 mm，油水密度比0.85，黏度比29.6，根據(jù)試驗(yàn)要求，將油、水預(yù)先分別放置在各自的管路中，由T形混合器按照不同的油水比例混合后進(jìn)入測(cè)試管段。結(jié)合測(cè)試管段前后的壓降數(shù)據(jù)以及連續(xù)拍照的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流型變化主要與油品含水率和混合流速相關(guān)。在含水5%～95%的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了分層流型（ST）、相界面略有混雜的分層流型（ST&MI）、上層水包油下層游離水混合流型（O/W&W）、水包油分散流型（O/W）、油包水和水包油混合型（W/O&O/W）以及油包水分散流型（W/O）共 6種流型。由于油的黏度較低且基本不含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然乳化劑，同時(shí)油水沒(méi)有預(yù)先混合攪拌且時(shí)間較短，因此未觀察到油基（OA）或水基（WA）環(huán)狀流。

經(jīng)分析，上述試驗(yàn)機(jī)理為當(dāng)含水率 80%～95%之間時(shí)，如果混合流速大于 0.25 m/s，原油乳狀液流型轉(zhuǎn)換進(jìn)入水相主導(dǎo)區(qū)，形成下層水相、上層油相且界面出現(xiàn)連續(xù)液膜的分層流型和相界面略有混雜的分層流型；當(dāng)保持油相折算速度不變，水相折算速度大于0.5 m/s時(shí)，由于水相液滴不斷增大，水滴碰撞聚集效應(yīng)增強(qiáng)，將上層油相破壞分割，形成了上層水包油下層游離水混合流型；當(dāng)水相折算速度大于1.6 m/s時(shí)，由于油品黏度較低，在高含水的情況下，油滴無(wú)法穩(wěn)定的存在于上層水包油相中，大流速將其沖散為更小的油滴，并迅速充滿整個(gè)管道，形成水包油分散流型。

2000年，Angeli等試驗(yàn)人員考慮到管道內(nèi)部粗糙度對(duì)流型轉(zhuǎn)換的影響，分別用金屬（不銹鋼）和非金屬（丙烯酸樹脂）兩種管道材質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試段長(zhǎng)30.80 m，內(nèi)徑25.40 mm，油水密度比0.8，黏度比 1.6（煤油），試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)觀察測(cè)試段流型變化，高速電子探針測(cè)試前后端壓差變化及混合物含水率，通過(guò)直連型單螺桿泵進(jìn)行流量及流速調(diào)節(jié)，試驗(yàn)中混合流速范圍為0.2～3.9 m/s。試驗(yàn)結(jié)果為，在含水率6%～86%之間，流型從分層流到均勻混合流等多種流型均被觀察到，但在不同的管道材質(zhì)條件下，含水率和流速對(duì)于轉(zhuǎn)相點(diǎn)的影響略有差別。

該試驗(yàn)機(jī)理為，當(dāng)油水混合物含水率處于80%～86%之間時(shí)，流型轉(zhuǎn)為水相主導(dǎo)區(qū)，壓降梯度大幅降低，當(dāng)混合流速小于 1 m/s時(shí)，管道底部的游離水不斷增加，水相與管底的接觸不斷增加。在混合流速較低的條件下，受重力作用，連續(xù)水相占據(jù)整個(gè)管道底部，形成上層水包油下層游離水混合流型（O/W&W）；當(dāng)混合流速大于1 m/s時(shí)，上層水包油中的油滴被沖散，形成均勻分散的水包油流型（O/W）。

2001年，陳杰等人分別采用白油和柴油與水混合進(jìn)行環(huán)道試驗(yàn)，測(cè)試段長(zhǎng)30 m，內(nèi)徑33.3 mm，其中白油黏度比為62.8，柴油3.47。該試驗(yàn)為將混合液在攪拌罐內(nèi)（有效容積50 L）充分?jǐn)嚢枞榛?，分別通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)、水平管段、壓降測(cè)試段和流型觀察段后回到攪拌罐內(nèi)。隨后將質(zhì)量流量計(jì)采集到的流體密度、質(zhì)量流量和體積流量等數(shù)據(jù)，結(jié)合壓差變送器結(jié)果，利用電阻探針測(cè)試不同條件下流型的含水率。參照工業(yè)相機(jī)拍攝圖片，得出在含水率為 10%～90%的范圍內(nèi)，油水兩相流流型為分散流型（W/O和O/W）、油水分層流型（ST和ST&MI）、混合流型（W/O&W和O/W&W）以及三層流型（3L）。其中，當(dāng)含水率在 80%～90%之間，混合流速變化范圍為0～1.2 m/s時(shí)，隨混合流速的增加，觀察到的流型依次為分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和分散流型（O/W）。

2003—2006 年，Oddie、OMH Rodriguez等人[25-26]分別考察了管道傾角、流速、溫度等因素對(duì)流型轉(zhuǎn)換的影響，在長(zhǎng)11 m、內(nèi)徑150 mm的環(huán)道裝置中使用礦物油、鹽水、氮?dú)膺M(jìn)行了兩相流和三相流試驗(yàn)，其中油水密度比為0.84，黏度比為27，管道傾角為 0～92°，生成了不同油水折算速度和管道傾角范圍下的油水兩相流流型圖。其中，含水率在80%～95%之間，試驗(yàn)得到了Trallero所劃分的所有高含水流型，不同的是由于管道傾角的存在，在上傾管與下傾管的試驗(yàn)中還得到了分層波浪流型（SW），該流型在界面處不呈現(xiàn)任何混合，介于分層流型（ST）和半分層流型（ST&MI）之間。

2015年，ASI Ismail等人[27]在長(zhǎng)徑比為1 311的水平管道中進(jìn)行了油水兩相流流動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)流體為輕質(zhì)含蠟原油和合成地層水，試驗(yàn)中含水率變化為10%～90%，混合流速為2.0～16.2 m/s，通過(guò)測(cè)量不同油水兩相流速下壓降和持液率的變化，確定了不同流速和含水率下的流型。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)含水率在80%～90%之間時(shí)，隨混合流速的增加，觀察到油水兩相流的流型會(huì)從分層流型（ST、ST&MI）逐漸過(guò)渡到完全分散的分散流型（O/W）。

綜上所述，盡管研究人員的研究方法和手段不盡相同，但結(jié)果類似，高于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型主要分為三種：分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和水包油分散流型（O/W），具體流型見(jiàn)圖2。

圖2 水包油分散流型（O/W）

2.2 低于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型

根據(jù)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，集輸管道回站溫度應(yīng)高于凝點(diǎn)3～5 ℃，用于保證集輸?shù)陌踩煽?。因此，?duì)比高于凝點(diǎn)下的油水兩相流流型的研究，針對(duì)低于凝點(diǎn)溫度下油水兩相流流型的研究很少，且可應(yīng)用的工程實(shí)例幾乎沒(méi)有。下面是近幾年來(lái)關(guān)于高含水期低溫油水兩相流流型的相關(guān)研究。

2013年，劉曉燕等人[28]設(shè)計(jì)建立了一套水-膠凝原油兩相流流態(tài)化試驗(yàn)系統(tǒng)，在內(nèi)徑為53 mm的水平管道內(nèi)對(duì)水-膠凝原油兩相流流態(tài)化進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)介質(zhì)為原油和水，原油凝點(diǎn)32 ℃，混合流量5.9 m3/h，含水率90%，對(duì)溫度從33～20 ℃的油水兩相流進(jìn)行了流態(tài)化的試驗(yàn)研究。研究表明：當(dāng)溫度在原油凝點(diǎn)以上時(shí)，油水兩相是分層流型流動(dòng)，如圖3（a）所示；隨著溫度持續(xù)降低，會(huì)逐漸出現(xiàn)水漂油混合流型（W/O&W floating），如圖3（b）所示；當(dāng)溫度低至一定程度后，就會(huì)出現(xiàn)原油粘壁阻塞管道的情況，無(wú)法再繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。如圖3（c）所示。

圖3 低溫條件下油水兩相的流型圖

2014年，范偉研究了低于凝點(diǎn)的原油中凝膠粒徑大小和分布規(guī)律對(duì)水力輸送的影響，在井口處安裝了可視化試驗(yàn)管路，觀察段長(zhǎng)1 m、內(nèi)徑為53 mm，在井口綜合含水 95%的條件下，得到了不同流量（2.0～6.5 m3/h）、溫度（12.8～20 ℃）和壓力（0.71～1.12 MPa）條件下的流動(dòng)特性。隨著流動(dòng)條件的不斷變化，原油顆粒均以水漂油混合流和水包油團(tuán)分散流形式分布在連續(xù)的水相中，選取油水混合液流量分別為 3.7 m3/h、4.7 m3/h、5.7 m3/h，通過(guò) Image Pro軟件進(jìn)行圖像分析發(fā)現(xiàn)，水中膠凝原油顆粒的尺度和粒徑分布規(guī)律隨混合液流量的不同而變化。

2015年，董燕等人采用室內(nèi)環(huán)道裝置對(duì)含水率80%～95%的原油乳狀液在水平管內(nèi)進(jìn)行低溫流動(dòng)試驗(yàn)，整個(gè)環(huán)道長(zhǎng)度為30.8 m，內(nèi)徑為25.4 mm，通過(guò)二甲基硅油作為套管溫控介質(zhì)，流速控制在0.4～1.4 m/s，分別在 32 ℃、28 ℃、25 ℃和 22 ℃四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫降試驗(yàn)，如圖 4。通過(guò)試驗(yàn)觀察得出溫度越低、油水兩相的混合流速越低、含水率越低，壓降梯度越大，越容易出現(xiàn)凝管現(xiàn)象。

圖4 低溫試驗(yàn)流型圖

研究表明：在原油凝點(diǎn)溫度時(shí)，混合物流速較低（0.4～0.6 m/s），油水兩相混合物的流型為水漂油塊，隨著流速增高（1.2～1.4 m/s）時(shí)，油水兩相混合物的流型為水包油團(tuán)分散流型（E W/O&W, 水包油團(tuán)分散流是油包水乳狀液在水中的分散體系，僅存在于流動(dòng)狀態(tài)下，只在含水90%以上出現(xiàn)）如圖4（a）；在原油凝點(diǎn)溫度以下，且含水率較高時(shí)，由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)功能基團(tuán)的相互作用，出現(xiàn)水漂油塊流型，此時(shí)壓降梯度基本接近相同條件下水的壓降梯度，如圖4（b）所示；而由于管壁粘油會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)徑的減小，隨著管線上部積聚的原油逐漸增多，管路內(nèi)徑更小，在小流量條件下出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象，如圖 4（c）所示；當(dāng)溫度降低至 22 ℃，試驗(yàn)出現(xiàn)明顯的管壁粘油現(xiàn)象，且溫度越低，含水率越低，管壁粘油現(xiàn)象就越明顯，如圖4（d）。

綜上所述，研究人員盡管研究方法和手段不盡相同，但結(jié)果類似，低于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型主要分為兩類：水漂油流混合流型（W/O&W floating）、水包油團(tuán)分散流型（E W/O&W），具體流型見(jiàn)圖5。

圖5 低于凝點(diǎn)溫度下油水兩相流型圖

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)不同時(shí)期研究學(xué)者的油水兩相流流型研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的分類和梳理，歸納得出高于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型主要有分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和水包油分散流型（O/W）；低于凝點(diǎn)溫度下的高含水期油水兩相流流型主要有水漂油流混合流型（W/O&W floating）和水包油團(tuán)分散流型（E W/O&W）。對(duì)兩相流流型進(jìn)行總結(jié)，可以預(yù)測(cè)井底、井筒、地面等位置的流動(dòng)狀態(tài)，分析影響流型轉(zhuǎn)換和流型壓降的因素，將試驗(yàn)結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)照，對(duì)現(xiàn)有水力、熱力模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正和擬合，為管道的流動(dòng)保障提供理論依據(jù)。

然而目前，對(duì)于流型的研究多停留在室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)可操作性不強(qiáng)，影響了試驗(yàn)成果的實(shí)際應(yīng)用。因此對(duì)于兩相流流型的研究提出如下建議：

（1）室內(nèi)試驗(yàn)為方便可視觀察，多采用水平玻璃管進(jìn)行觀察，與實(shí)際應(yīng)用工況差異較大。建議相關(guān)研究應(yīng)充分考慮管材內(nèi)壁粗糙度、管道傾角等因素對(duì)流型轉(zhuǎn)換的影響，同時(shí)對(duì)于彎頭、三通、變徑、閥門等管件處容易出現(xiàn)層間干擾形成湍流現(xiàn)象進(jìn)行模型和試驗(yàn)，以便更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

（2）油水兩相流涉及的流型較多，但對(duì)于流型轉(zhuǎn)換時(shí)的過(guò)渡條件及內(nèi)在機(jī)理仍不明確。此外隨著我國(guó)稠油開采的力度加大，影響稠油流型的因素更多（黏度、含水率、流速、水型、入口形狀等），建議加強(qiáng)稠油和超稠油的油水混合物流型研究，加強(qiáng)稠油流型轉(zhuǎn)換模型的建立和預(yù)測(cè)。

（3）室內(nèi)試驗(yàn)為避免其他因素的影響，基本上為靜態(tài)、閉式流程，但現(xiàn)場(chǎng)工況條件下油水混合物處于多因素影響的不穩(wěn)定流態(tài)，如存在泵的剪切、溫度、流速的變換等，因此有必要借助數(shù)值模擬的相關(guān)方法，如 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換等對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析和處理，逐步形成理論和半經(jīng)驗(yàn)公式。

（4）兩相流型轉(zhuǎn)換應(yīng)與多相流計(jì)量技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)利用計(jì)算流體力學(xué)CFD（如Fluent、CFX）相關(guān)軟件對(duì)流體進(jìn)行建模和計(jì)算，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，積極開展低于凝點(diǎn)以下的高含水油水混合物常溫集輸界限研究，為高含水油田常溫集輸提供理論依據(jù)。